兩種大跨度門式墩方案設(shè)計(jì)比較分析

聶細(xì)鋒

（中鐵二院貴陽(yáng)公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

兩種大跨度門式墩方案設(shè)計(jì)比較分析

聶細(xì)鋒

（中鐵二院貴陽(yáng)公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

針對(duì)大跨度門式墩，結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、立柱與蓋梁固結(jié)及鋼結(jié)構(gòu)蓋梁、立柱與蓋梁鉸接兩種方案門式墩力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析；并結(jié)合工程實(shí)際分別從力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能及適用性能對(duì)兩種門式墩方案進(jìn)行詳細(xì)比較，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

大跨度；門式墩；鋼蓋梁；比較分析

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通建設(shè)發(fā)展蓬勃，公路、鐵路及管線之間的交叉亦逐漸增多，為了減少彼此之間功能的影響，門式墩的使用亦非常普遍[1]。國(guó)內(nèi)門式墩大部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，然而當(dāng)門式墩跨度較大時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)門式墩經(jīng)濟(jì)性能較差。本文結(jié)合貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線區(qū)間某新建高架橋橋址處狀況，就采取兩種不同形式的大跨度門式墩方案進(jìn)行綜合比較分析，明確各方案優(yōu)缺點(diǎn)。

1 門式墩工程概況

新建高架橋上跨城市市政道路，受軌道交通線路及市政道路線位交叉控制，門式墩跨度為26.7 m，兩立柱高度均為14 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。門式墩平面布置見圖1。

圖1 門式墩平面布置圖（單位：cm）

1.1 門式墩方案介紹

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁方案（方案一）：蓋梁截面尺寸見圖2（a），立柱與蓋梁固結(jié)，門式墩橫向?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)。

鋼蓋梁方案（方案二）：蓋梁截面尺寸見圖2（b），立柱與蓋梁鉸接，門式墩橫向?yàn)楹?jiǎn)支結(jié)構(gòu)。

圖2 方案一及方案二蓋梁截面尺寸圖（單位：cm）

立柱為矩形截面，尺寸為2.5 m×3.5 m，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2,3]，混凝土蓋梁與立柱剛度比為0.6，處于合理范圍。承臺(tái)尺寸為7 m×7 m×2.5 m，承臺(tái)底設(shè)4根1.5 m直徑鉆孔樁，樁長(zhǎng)為12 m。

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁材料為C50混凝土，鋼蓋梁為Q345qD鋼材，立柱為C40混凝土。

1.2 門式墩模型建立

采用大型通用軟件Midas建立門式墩計(jì)算模型，蓋梁、立柱及樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，地基各土層水平抗力系數(shù)根據(jù)地質(zhì)參數(shù)m值計(jì)算求得。恒載包括梁體及門式墩自重、二期恒載、支座墊石頂梁部恒載反力、預(yù)應(yīng)力荷載、基礎(chǔ)變位及混凝土收縮徐變影響；活載包括支座墊石頂梁部活載反力、離心力及橫向搖擺力；附加力包括制動(dòng)力、風(fēng)力及溫度荷載，以上荷載值均根據(jù)相應(yīng)規(guī)范[4，5]計(jì)算求得。兩種方案門式墩有限元模型見圖3。

圖3 方案一及方案二門式墩墩有限元模型

2 門式墩方案比較分析

方案一預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土進(jìn)行簡(jiǎn)算，梁體共布置30束M15-17型鋼束，最不利工況下截面最大壓應(yīng)力為13.2 MPa，最小壓應(yīng)力為1.3 MPa；方案二鋼蓋梁采用Q345qD鋼材，最不利工況下梁體最大拉、壓應(yīng)力均為121 MPa，滿足規(guī)范容許值210 MPa要求。在兩組方案各組成構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求的前提下，分別對(duì)其進(jìn)行以下三方面比較。

2.1 力學(xué)性能比較分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，兩組方案蓋梁、立柱在最不利工況下截面內(nèi)力數(shù)值見表1、表2。

表1 兩組方案蓋梁內(nèi)力數(shù)值

表2 兩組方案立柱內(nèi)力數(shù)值

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得知：（1）預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁為壓彎受力構(gòu)件，鋼蓋梁為純彎受力構(gòu)件，鋼蓋梁跨中彎矩較大，較混凝土蓋梁可發(fā)揮鋼材抗拉性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并較混凝土蓋梁自重顯著減??；（2）方案一立柱與蓋梁固結(jié)，為壓彎受力構(gòu)件，彎矩及軸力均相對(duì)較大，方案二立柱與蓋梁鉸接，以受壓為主，活載及附加力產(chǎn)生的彎矩較??；（3）方案一蓋梁與立柱固結(jié)為超靜定結(jié)構(gòu)，較方案二受溫度影響大；（4）根據(jù)內(nèi)力數(shù)值，方案二立柱及基礎(chǔ)較方案一結(jié)構(gòu)尺寸可進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 經(jīng)濟(jì)性能比較分析

對(duì)方案二立柱及基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行優(yōu)化后，兩組方案主要材料用量見表3。

表3 兩組方案主要材料用量表

據(jù)表3可知：（1）方案二較方案一蓋梁鋼材用量顯著較多，造價(jià)相對(duì)較高；（2）方案二較方案一立柱及基礎(chǔ)工程材料用量較少，造價(jià)相對(duì)較低，同時(shí)方案二需增設(shè)支座。

另從施工方面考慮，方案一需搭設(shè)支架澆筑混凝土蓋梁，并張拉預(yù)應(yīng)力，施工過程中對(duì)既有道路通行有一定影響；方案二鋼蓋梁采用吊裝拼接施工，施工周期較方案一顯著減短。

2.3 適用性能比較分析

當(dāng)門式墩跨越跨越既有運(yùn)營(yíng)線路時(shí)，采用鋼制蓋梁可縮短施工周期，減少對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路的影響；當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時(shí)，靜定結(jié)構(gòu)較超靜定結(jié)構(gòu)可避免基礎(chǔ)沉降引起的附加內(nèi)力。從后期養(yǎng)護(hù)角度分析，鋼蓋梁較混凝土蓋梁養(yǎng)護(hù)次數(shù)多。

3 結(jié)論

（1）方案一門式墩為超靜定結(jié)構(gòu)，整體剛度較方案二大，同時(shí)受次內(nèi)力影響較大。

（2）方案一較方案二蓋梁自重顯著增大，立柱及基礎(chǔ)外力亦較大。

（3）兩種類型門式墩整體經(jīng)濟(jì)性能相近，方案二施工周期較方案一顯著減短。

（4）當(dāng)門式墩跨越既有既有運(yùn)營(yíng)線路時(shí)，采用鋼結(jié)構(gòu)蓋梁優(yōu)勢(shì)較大，施工過程中對(duì)運(yùn)營(yíng)道路影響較小。

[1]王永超.淺議門式墩的發(fā)展與應(yīng)用[J].城市道橋與防洪,2013(3):104-105,216.

[2]陳明清.大跨度門架墩設(shè)計(jì)探討[J].城市道橋與防洪,2009(8):11-15.

[3]姚嵐.大跨度鋼結(jié)構(gòu)門式墩設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2012(11):201-202.

[4]TB 10002-2017,鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]TB 10091-2017,鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TU391

B

1009-7716（2017）12-0060-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.017

2017-06-24

聶細(xì)鋒（1987-），男，江西豐城人，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。